作為一名電力電子工程師，有句話說得好，沒有從電力設備爆炸中吸取的教訓，就沒有成功。在我多年使用硅基 MOSFET 調試開關模式電源的經(jīng)驗中，這似乎是正確的。通過反復試驗和對設備故障的研究，我們可以學習如何設計可靠工作的轉換器。
在氮化鎵 (GaN) 功率 FET 的早期階段，故障很常見。更嚴格的門環(huán)設計要求、更高的 dv/dt 以及共源電感的影響都使電路對寄生效應和噪聲更加敏感。當 TI 的首批600V GaN 功率級樣品問世時，我驚嘆于該產品的穩(wěn)健性及其自我保護功能的有效性。盡管功率級已經(jīng)通過嚴格的測試驗證，但我之前使用硅部件的經(jīng)驗讓我對它在實際使用中的穩(wěn)健性感到好奇。更重要的是，這些功能是否會改變電路原型設計和調試的傳統(tǒng)智慧？
在最近的交錯式轉換器設計中，我使用了兩個 TI 半橋 LMG3410-HB-EVM 評估模塊 (EVM)，其中包含一些基本直流總線設計，由 UCD3138 數(shù)字脈寬調制 (PWM) 控制器控制。當兩個交錯式半橋一起工作時，我看到 PWM 信號反復受到高 dv/dt (100V/ns) 的影響，導致 480V 的 FET 直通并觸發(fā)集成過流保護（圖 1）。
與大多數(shù) FET（在這種情況下會發(fā)生故障）不同，LMG3410 集成功率級使我能夠在不損壞的情況下重復故障條件，并快速調試到根本原因。對于傳統(tǒng)零件來說，這將是非常費力的，并且可能不安全。
圖 1：擊穿事件后功率級的自關斷（藍色：上部 FET PWM；黃色：下部 FET PWM；綠色：電感器電流）
通過 R DRV改變壓擺率，我發(fā)現(xiàn)單相操作的 50V/ns 或 100V/ns 具有穩(wěn)健的操作，而兩相操作的 100V/ns 則沒有。根本原因是共模 (CM) 噪聲污染和控制器外圍電路的未優(yōu)化布局，導致不同 PWM 通道之間的時鐘同步不匹配（圖 2）。
圖 2：PWM 不同步導致電感電流浪涌（藍色：上部 FET PWM；黃色：下部 FET PWM；綠色：電感電流；紅色：觸發(fā)故障信號）
TI 的 ISO7831 數(shù)字信號隔離器提供足夠高的 CM 瞬變抗擾度 (CMTI) (>100V/ns)，但隔離電源（通常具有更高的 CM 電容）很容易將來自開關節(jié)點電壓的噪聲耦合到控制在高 dv/dt 下接地（圖 3）。由于多相同時運行，更多的共模噪聲會被注入控制側。
電源設計人員有時會忽略這個問題，因為硅器件和一些帶有外部驅動器的 GaN FET 無法實現(xiàn)如此高的壓擺率。我通過在上部 FET 的隔離電源上添加額外的 CM 扼流圈并改進數(shù)字控制器的去耦回路成功解決了該問題，從而減少了控制器的接地彈跳和噪聲耦合。得益于 LMG3410 的集成保護功能，我在整個調試過程中沒有遇到過一次災難性故障，盡管多次出現(xiàn) CM 噪聲引起的故障。
圖 3：隔離電源和數(shù)字隔離器之間的 CM 電容
除了過流故障，過溫事件在電源轉換器中也很常見。盡管經(jīng)驗豐富的工程師具有良好的熱設計技能，但保持器件結點冷卻仍然具有挑戰(zhàn)性，并且容錯率不大。隨著時間的推移，風扇故障或散熱器劣化等事件可能導致災難性故障。幸運的是，LMG3410 集成了過溫保護，當我的風扇電源意外關閉時，它來救我了。熱跳變點設置為 165 ° C，為短暫的溫度偏移留出足夠的余量，但可防止設備因與冷卻相關的系統(tǒng)故障而遭受永久性損壞。
雖然 GaN 在系統(tǒng)效率、尺寸和冷卻方面具有優(yōu)勢，但其高開關速度和頻率也帶來了越來越多的挑戰(zhàn)。
TI GaN 產品的保護和其他集成功能正在改變使用分立 Si MOSFET 的傳統(tǒng)智慧，讓我們了解高速開關轉換器設計的復雜性。這些產品不僅可以在我們調試新設計時保護設備免受永久性損壞，而且還可以通過防止長期運行下的柵極過應力來提高穩(wěn)健性，因為集成驅動器設計減少了柵極振鈴。
世界已經(jīng)見證了摩爾定律帶來的電子產品的巨大擴展和系統(tǒng)密度的提高。由于 GaN 技術的發(fā)展以及易于使用的 GaN 功率級（如具有自我保護功能的 LMG3410）的推出，這種趨勢現(xiàn)在正在進入電力電子領域。
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